TWI397165B - 半導體裝置 - Google Patents

Description

半導體裝置

本發明係關於一種製造半導體裝置之系統與方法，且特別關於一種製造直通矽晶穿孔之系統與方法。

一般而言，如第1圖所示，經由凸塊101可將一半導體晶粒100連接至其他晶粒或裝置。通常藉由導電材料層，共同所熟知如，延伸穿過一介電層111之凸塊下金屬化層103，將這些凸塊101連接至半導體晶粒100。凸塊下金屬化層103提供介於凸塊101與接觸墊105間的連接以電性連接凸塊101至形成於半導體晶粒100中之金屬層107與內連線109。

然而，儘管接觸墊105金屬層107與內連線109在尺寸上相對為小時，凸塊101與其相對之凸塊下金屬化層103卻是非常大。因此於晶粒100之表面上凸塊103之覆蓋率遠大於連接至下方之金屬層107與內連線109之所需。當裝置進一步縮小，多個凸塊下金屬化層103與其他結構，例如半導體晶粒100表面上之引線競爭表面積(valuable real estate)時，此於半導體晶粒100表面上之大覆蓋率會變成不利條件。

因此，所需為佔去較少半導體晶粒表面之表面積之凸塊下金屬化層與直通矽晶穿孔的結合，且其也減少或排除了於半導體晶粒表面上之凸塊下金屬化層與引線間的競爭。

藉由本發明較佳實施例所提供位於凸塊下金屬化層下之直通矽晶穿孔的結構與形成方法，通常可解決或避免這些或其他問題，且通常可達到技術優點。

本發明一較佳實施例提供一種半導體裝置，包括一基底，其具有複數個直通矽晶穿孔穿過該基底形成。一凸塊下金屬化層形成於該複數個直通矽晶穿孔之上且與該複數個直通矽晶穿孔的至少之一電性連接。此外，該複數個直通矽晶穿孔的至少之一與該凸塊下金屬化層電性分離。

本發明另一較佳實施例提供一種半導體裝置，包括一基底，其具有一或多個接口直通矽晶穿孔與一或多個連接直通矽晶穿孔，其各具有一接觸墊。此外，一或多條引線位於基底中且連接至至少一個接觸墊，此接觸墊連接至連接直通矽晶穿孔之一。一凸塊下金屬化層位於至少一個連接直通矽晶穿孔之上且與至少一個接口直通矽晶穿孔電性連接，而與至少一個連接直通矽晶穿孔電性分離。

本發明又另一較佳實施例提供一種半導體裝置，包括一基底，其具有複數個直通矽晶穿孔延伸穿過該基底。一凸塊下金屬化層位於該複數個直通矽晶穿孔之上且電性連接至該複數個直通矽晶穿孔的至少之一，而與該複數個直通矽晶穿孔的至少之一電性分離。一焊料凸塊(solder bump)位於該凸塊下金屬化層之上。

本發明較佳實施例的優點為利用凸塊下金屬化層之下的區域，因此釋放出於裝置表面上之有用空間。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

本發明於特定內容中以較佳實施例來敘述，即為具有相關之直通矽晶穿孔之凸塊下金屬化層。然而，也可提供本發明至其他形式之電子連接。

參見第2圖，其顯示晶粒200之一部分，其包括一基底201與一第一介電層203於基底201上，且引線205形成於第一介電層203中。基底201較佳包括一於其上形成主動裝置(未顯示)之半導體材料與一系列可替換之金屬，及預定來自主動裝置之內連線與電路的介電層。

第一介電層203較佳沿著於主動裝置上之基底201的一第一側207形成於基底201上。第一介電層203較佳由一或多個適合之介電材料所製成，例如，氧化矽、氮化矽、低介電常數材料(例如，碳摻雜氧化物)、上述之組合或其類似物。第一介電層203較佳藉由一製程，例如化學氣相沈積來形成，然而也可利用任何適合之製程。

引線205較佳形成於介電層203中。引線205較佳使用來安排電性連接，例如介於主動裝置間或甚至介於不同晶粒間之輸入/輸出訊號或電源訊號。引線205之設 計與佈局當然依據晶粒200的需要，且此種佈局完全包含於本實施例範圍中。

引線205較佳由鋁所製成，然而也可使用任何適合之導電材料，例如鋁合金、鋁銅、銅、上述之組合或其類似物。較佳藉由使用化學氣相沈積製程與一用以圖案化引線之蝕刻來形成引線205。然而也可使用其他適合所用特定材料的方法(例如鑲嵌製程適用於銅)。

第3圖顯示形成一第二介電層301於引線205上與形成內連線303至引線205。第二介電層301可由與對應於第2圖之上述第一介電層203的相似材料及藉由與其相似方法來形成。內連線303較佳為銅，且較佳藉由鑲嵌製程來形成，然而任何適合之材料與方法也可用來形成內連線303至引線。

第3圖也顯示一或多個接口直通矽晶穿孔開口305與連接直通矽晶穿孔開口307的形成。較佳將接口直通矽晶穿孔開口305與連接直通矽晶穿孔開口307彼此同時製成，然而其也可經由分開之製程來形成。較佳藉由提供或發展一適合光阻(未顯示)且之後蝕刻第二介電層301、第一介電層203與部分基底201來形成接口直通矽晶穿孔開口305與連接直通矽晶穿孔開口307。或者，當自基底201向上建構晶粒200時，隨著個別層(例如介電或金屬層)之形成，接口直通矽晶穿孔開口305與連接直通矽晶穿孔開口307可同時形成。

較佳為，形成接口直通矽晶穿孔開口305與連接直通矽晶穿孔開口307以便至少較形成於基底201中與其 上之電子裝置更深入地延伸進入基底，且較佳至少至一深度其大於完成之晶粒200的最終所需高度。因此，當深度依照晶粒200之所有設計時，深度較佳為低於基底201上之主動裝置下方約1-700 μm，較佳深度為低於基底201上之主動裝置下方約20-250 μm。

較佳為形成接口直通矽晶穿孔開口305與連接直通矽晶穿孔開口307使其直徑為約1-100 μm，較佳直徑為約6 μm。此外，在一實施例中，當接口直通矽晶穿孔開口305與連接直通矽晶穿孔開口307關於彼此之距離為依據晶粒200之設計時，距離較佳為等於或大於約6 μm。在另一實施例中，接口直通矽晶穿孔開口305與連接直通矽晶穿孔開口307關於彼此具有一約60 μm的距離。

一旦形成接口直通矽晶穿孔開口305與連接直通矽晶穿孔開口307，較佳以導電材料309將接口直通矽晶穿孔開口305與連接直通矽晶穿孔開口307填滿。導電材料309較佳包括一阻障層(例如氮化鈦或氮化鉭)與銅，然而也可使用其他適合之材料，例如鋁、合金、摻雜多晶矽、上述之組合或其類似物。較佳藉由沈積阻障層與一晶種層(seed layer)且之後電鍍銅於晶種層上、填滿與滿出接口直通矽晶穿孔開口305與連接直通矽晶穿孔開口307來形成導電材料309。一旦填滿了接口直通矽晶穿孔開口305與連接直通矽晶穿孔開口307，較佳藉由磨削製程(grinding process)，例如，化學機械研磨來移除在接口直通矽晶穿孔開口305與連接直通矽晶穿孔開口307外 超出之導電材料309，然而也可使用任何適合之移除製程。

第4圖顯示一或多個接口直通矽晶穿孔接觸墊403與連接直通矽晶穿孔接觸墊405的形成。接口直通矽晶穿孔接觸墊403連接接口直通矽晶穿孔603(形成自填滿之接口直通矽晶穿孔開口305，如下述對應至第6圖)至引線205且至將被形成之凸塊下金屬化層(如下所述，對應至第5圖)。連接直通矽晶穿孔接觸墊405連接連接直通矽晶穿孔605(形成自填滿之連接直通矽晶穿孔開口307，如下述對應至第6圖)至其各自之引線205。接口直通矽晶穿孔接觸墊403與連接直通矽晶穿孔接觸墊405較佳由相同材料，鋁，所形成，然而其也可由彼此不同之材料所形成，且也可使用其他材料，例如鋁合金、鋁銅、銅、上述之組合與其類似物。

接口直通矽晶穿孔接觸墊403與連接直通矽晶穿孔接觸墊405依據其所使用之材料可由多種方法來形成。例如，若使用鋁的話，較佳藉由形成一鋁層於第二介電層301上，且之後使用一適合技術，例如微影(photolithography)與化學蝕刻以將鋁圖案化進入接口直通矽晶穿孔接觸墊403與連接直通矽晶穿孔接觸墊405來形成接口直通矽晶穿孔接觸墊403與連接直通矽晶穿孔接觸墊405。或者，若使用銅的話，較佳藉由一開始形成一第三介電層401、形成開口進入第三介電層401、沈積一阻障層與一晶種層(未顯示)、以銅填至滿出開口，與之後使用一磨削製程，例如化學機械研磨以移除位於 開口外超出之銅來形成接口直通矽晶穿孔接觸墊403與連接直通矽晶穿孔接觸墊405。可使用任何適合形成接口直通矽晶穿孔接觸墊403與連接直通矽晶穿孔接觸墊405之製程，且所有這些製程完全包括於本發明範圍中。

第5圖顯示一第四介電層501形成於接口直通矽晶穿孔接觸墊403與連接直通矽晶穿孔接觸墊405之上。第四介電層501較佳由相似於第一介電材料203之介電材料(如上所述，對應至第2圖)所形成，且較佳藉由與其相似之製程來形成。一旦形成第四介電層501，製造一或多個開口503穿過第四介電層501以便至少部分露出各接口直通矽晶穿孔接觸墊403的部分。開口503較佳藉由一適合之微影罩幕與蝕刻製程來形成，然而也可使用任何適合露出接口直通矽晶穿孔接觸墊403之製程。

第5圖也顯示凸塊下金屬化層505(也熟知為凸塊下金屬化接點)的形成，凸塊下金屬化層505穿過第四介電層501而接觸接口直通矽晶穿孔接觸墊403。一旦開口503露出接口直通矽晶穿孔接觸墊403，較佳形成凸塊下金屬化層505於第四介電層501之部分上且穿過開口503以便製造與接口直通矽晶穿孔接觸墊403之物理與電性接觸。凸塊下金屬化層505較佳由至少三層導電層來形成，例如一層鉻、一層鉻銅合金與一層銅，與視需要一層金於銅層頂部上。然而，熟悉此技藝人士會認可有許多適合之材料與層別之排列，例如鈦/鈦/鎢/銅之排列或銅/鎳/金之排列適合凸塊下金屬化層505的形成。可使用於凸塊下金屬化層505之任何適合的材料或材料層別完 全包含於本申請之範圍中。

較佳藉由形成各層於第四介電層上且進入開口503來形成凸塊下金屬化層505。較佳藉由執行使用一化學氣相沈積製程，例如電漿輔助化學氣相沈積(plasma-enhanced chemical vapor deposition,PECVD)來形成各層，然而依據所需之材料也可使用其他形成製程，例如濺鍍、蒸鍍或電鍍製程。於凸塊下金屬化層505中之各層較佳具有約10-100 μm之厚度，較佳厚度為約45 μm。一旦形成所需層別，之後較佳藉由適合之微影罩幕與蝕刻製程來移除層別之部分以移除不需要之材料而留下圖案化之凸塊下金屬化層505。

較佳形成凸塊下金屬化層505使其不只位於接口直通矽晶穿孔開口305上，也位於一或多個連接直通矽晶穿孔開口307之上。較佳也將凸塊下金屬化層505形成於至少一條引線205之上。在此方式中，可將連接直通矽晶穿孔開口307(且之後被形成連接直通矽晶穿孔605)與引線303整合成三維結構，而取代一般兩維結構，因此對於於晶粒200表面上之所有組成而言，減少了全部之二維覆蓋率。

第6圖顯示自接口直通矽晶穿孔開口305形成接口直通矽晶穿孔603與自連接直通矽晶穿孔開口307形成連接直通矽晶穿孔605。較佳為，一載體601貼附至晶粒200於凸塊下金屬化層505上。載體601可包括，例如玻璃、氧化矽、氧化鋁與其類似物。在一實施例中，可使用一第二黏著劑(未顯示)以將載體601黏著至晶粒200 之頂部表面。第二黏著劑可為任何適合之黏著劑，例如紫外光黏著劑，而當暴露於紫外光時，其會喪失其黏著性。載體之較佳厚度為大於約12密爾(mil)。

或者，載體601可較佳包括載帶(carrier tape)。若使用載帶，載帶較佳為一般熟知之藍膜片(blue tape)。使用位於載帶上之第二黏著劑(未顯示)將載帶貼附至晶粒200較佳。

一旦貼附至載體601，接著移除晶粒200之一第二側602的部分以露出位於接口直通矽晶穿孔開口305中之導電材料309以完成接口直通矽晶穿孔603，且也露出位於連接直通矽晶穿孔開口307中之導電材料309以完成連接直通矽晶穿孔605。較佳以磨削製程，例如化學機械研磨來執行移除，然而也可使用其他適合之製程。移除製程較佳移除晶粒200之第二側的約1-50 μm，且較佳為移除約20 μm之晶粒200的第二側。

如熟悉此技藝人士所知，上述包括形成通孔、沈積導體與接著薄化基底201之第二側602之接口直通矽晶穿孔603與連接直通矽晶穿孔605的形成製程，只是形成直通矽晶穿孔的方法之一。在另一方法中，可藉由蝕刻通孔部分穿過基底201與沈積一介電層於通孔中來形成接口直通矽晶穿孔603與連接直通矽晶穿孔605。在此實施例中，在薄化基底201之背面後，移除位於通孔中之介電層，且再沈積導電材料於通孔中。或者可使用此方法與任何其他適合形成接口直通矽晶穿孔603與連接直通矽晶穿孔605的方法，且這些方法完全包含於本發 明範圍中。更進一步而言，接口直通矽晶穿孔603與連接直通矽晶穿孔605較佳可具有一襯墊，其由介電材料，例如氧化物、氮化物或其類似物所形成。

第7A圖顯示一接觸凸塊701形成於凸塊下金屬化層505上。接觸凸塊701較佳包括一材料，例如錫，或其他適合之材料，例如銀或銅。在一實施例中，其中接觸凸塊701為一錫焊料凸塊，可藉由最初使用一般方法，例如蒸鍍、電鍍、印刷、焊料轉移(solder transfer)、錫球置放(ball placement)等來形成一錫層，以形成接觸凸塊701至一較佳厚度約100 μm。一旦錫層形成於此結構上，執行一回流(reflow)以將材料塑造成所需之凸塊形狀。

第7B圖顯示一替代實施例，其中一接觸墊703取代接觸凸塊701形成於於凸塊下金屬化層505上。在此實施例中，接觸墊703較佳包括銅，然而也可使用任何適合導電材料，例如鋁或鎢。在一實施例中，其中接觸墊703為銅，接觸墊703較佳藉由一適合之電鍍製程來形成，然而也可使用用於其他材料之其他製程，例如，化學氣相沈積。接觸墊703較佳形成為矩形，然而也可視需要使用任何適合之形狀，例如正方形或八角形。

第8A-8B圖顯示凸塊下金屬化層505與其下方之接口直通矽晶穿孔603與連接直通矽晶穿孔605的潛在俯視圖。第8A圖顯示較佳將凸塊下金屬化層505圖案化成圓形，然而也可使用晶粒200之全部設計所需之任何適合形狀，例如六角形、八角形或正方形。凸塊下金屬化層505較佳具有約30-400 μm的直徑，直徑較佳為80 μm。

如圖所示，多個接口直通矽晶穿孔603與連接直通矽晶穿孔605較佳位於凸塊下金屬化層505之下，且連接直通矽晶穿孔605的圖案也自凸塊下金屬化層505之下延伸向外。更進一步而言，儘管第2-7B圖中顯示兩個接口直通矽晶穿孔603，位於凸塊下金屬化層505之下的多數直通矽晶穿孔可被連接至凸塊下金屬化層505為一接口直通矽晶穿孔603。可使用任何接口直通矽晶穿孔603與連接直通矽晶穿孔605之組合來連接晶粒200之組成，且任何組合完全在本申請之範圍中。

第8B圖顯示一些替代實施例，其中將凸塊下金屬化層505形成為八角形，其直徑為約160-300 μm。如圖所示，依據凸塊下金屬化層505的尺寸，將在凸塊下金屬化層505下之接口直通矽晶穿孔603與連接直通矽晶穿孔605進行不同佈局是可能的。例如，若凸塊下金屬化層505的直徑為約160 μm，可利用一接口直通矽晶穿孔603與連接直通矽晶穿孔605之實質正方形的佈局，若凸塊下金屬化層505的直徑為約180 μm，可利用一十字形圖案，且若凸塊下金屬化層505的尺寸允許，也可使用利用更多直通矽晶穿孔之更複雜的圖案。如前所述，可在圖案中使用任何接口直通矽晶穿孔603與連接直通矽晶穿孔605的組合。

第9圖顯示於晶粒200上之多個凸塊下金屬化層505的潛在分佈，其中所繪示之凸塊下金屬化層505之一顯示位於下方之接口直通矽晶穿孔603與連接直通矽晶穿孔605。在一實施例中，凸塊下金屬化層505的此分佈較 佳具有一約60-600 μm的距離，較佳距離為約150 μm；在另一實施例中，較佳距離為約400 μm。

藉由將連接直通矽晶穿孔605與接口直通矽晶穿孔603置於凸塊下金屬化層505之下，則引線只需佔去較少晶粒200表面之空間。如此，可將這些晶粒間隔得更加緊密地在一起，且當連接時具有較少之所有覆蓋率。此減少一般電路組成之尺寸，產生全面較小之裝置。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧半導體晶粒

101‧‧‧凸塊

103‧‧‧凸塊下金屬化層

105‧‧‧接觸墊

107‧‧‧金屬層

109‧‧‧連結

111‧‧‧介電層

200‧‧‧晶粒

201‧‧‧基底

203‧‧‧第一介電層

205‧‧‧引線

207‧‧‧基底201的一第一側

301‧‧‧第二介電層

303‧‧‧內連線

305‧‧‧接口直通矽晶穿孔開口

307‧‧‧連接直通矽晶穿孔開口

309‧‧‧導電材料

401‧‧‧第三介電層

403‧‧‧接口直通矽晶穿孔接觸墊

405‧‧‧連接直通矽晶穿孔接觸墊

501‧‧‧第四介電層

503‧‧‧開口

505‧‧‧凸塊下金屬化層

601‧‧‧載體

602‧‧‧晶粒200之第二側

603‧‧‧接口直通矽晶穿孔

605‧‧‧連接直通矽晶穿孔

701‧‧‧接觸凸塊

703‧‧‧接觸墊

第1圖顯示先前技術裝置具有一單一接口連接至一凸塊下金屬化層。

第2-6圖顯示本發明一實施例之凸塊下金屬化層的形成，其覆蓋多個直通矽晶穿孔。

第7A與7B圖顯示本發明一實施例之一接點於凸塊下金屬化層之上的形成。

第8A與8B圖顯示本發明實施例之直通矽晶穿孔之不同佈局的上視圖。

第9圖顯示本發明一實施例之於半導體裝置上之凸塊下金屬化層之佈局的上視圖。

200‧‧‧晶粒

201‧‧‧基底

203‧‧‧第一介電層

205‧‧‧引線

207‧‧‧基底201的一第一側

301‧‧‧第二介電層

303‧‧‧內連線

401‧‧‧第三介電層

403‧‧‧接口直通矽晶穿孔接觸墊

405‧‧‧連接直通矽晶穿孔接觸墊

501‧‧‧第四介電層

503‧‧‧開口

505‧‧‧凸塊下金屬化層

601‧‧‧載體

602‧‧‧晶粒200之第二側

603‧‧‧接口直通矽晶穿孔

605‧‧‧連接直通矽晶穿孔

Claims (18)

1. 一種半導體裝置，包括：一基底，其具有一第一側與一第二側；複數個直通矽晶穿孔自該第一側延伸至該第二側；以及一凸塊下金屬化接點位於該複數個直通矽晶穿孔之上，其中該凸塊下金屬化接點電性連接至該複數個直通矽晶穿孔的至少之一，且與該複數個直通矽晶穿孔的至少之一電性分離。
2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，更包括至少一接觸墊位於該凸塊下金屬化接點之下，但不與該凸塊下金屬化接點接觸，該至少一接觸墊電性連接至與該凸塊下金屬化接點電性分離之該直通矽晶穿孔的至少之一。
3. 如申請專利範圍第2項所述之半導體裝置，更包括至少一引線位於該至少一接觸墊之下，該至少一引線與該至少一接觸墊電性連接。
4. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該凸塊下金屬化接點電性連接至多於一個該直通矽晶穿孔。
5. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該凸塊下金屬化接點包括三層導電材料。
6. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該凸塊下金屬化接點的直徑為約160-300 μm。
7. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，更包括 至少一接觸墊位於該凸塊下金屬化接點與該複數個直通矽晶穿孔的至少之一之間且與該凸塊下金屬化接點電性連接。
8. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，更包括至少一引線位於該凸塊下金屬化接點之下且電性連接至該複數個直通矽晶穿孔的至少之一。
9. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，更包括一接觸墊位於該凸塊下金屬化接點之上。
10. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，更包括複數條引線位於該基底中，該複數條引線的至少之一電性連接至該凸塊下金屬化接點，且該複數條引線的至少之一與該凸塊下金屬化接點電性分離。
11. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該複數個直通矽晶穿孔具有一約60 μm的距離。
12. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，更包括一第二凸塊下金屬化接點具有一與該凸塊下金屬化接點相關之距離，該距離為約400 μm。
13. 一種半導體裝置，包括：一基底，其具有一第一側與一相對之第二側；一或多個接口直通矽晶穿孔自該第一側延伸至該第二側，該一或多個接口直通矽晶穿孔連接至各別之位於該第一側之上的一或多個接口接觸墊；一或多個連接直通矽晶穿孔自該第一側延伸至該第二側，該一或多個連接直通矽晶穿孔連接至各別之位於該第一側之上的一或多個連接接觸墊；以及 一第一凸塊下金屬化層位於該第一側之上且該連接直通矽晶穿孔的至少之一之上，該第一凸塊下金屬化層與連接直通矽晶穿孔的至少之一電性分離，且與該接口直通矽晶穿孔的至少之一電性連接。
14. 如申請專利範圍第13項所述之半導體裝置，其中第一凸塊下金屬化層電性連接至複數個該一或多個接口直通矽晶穿孔。
15. 如申請專利範圍第13項所述之半導體裝置，更包括一或多條引線位於該第一凸塊下金屬化層之下且電性連接至一或多個接口接觸墊之一。
16. 如申請專利範圍第13項所述之半導體裝置，更包括一第二凸塊下金屬化層，其中該第一凸塊下金屬化層與該第二凸塊下金屬化層的距離約400 μm。
17. 如申請專利範圍第13項所述之半導體裝置，更包括一或多個連接直通矽晶穿孔，其不被該第一凸塊下金屬化層所覆蓋。
18. 如申請專利範圍第13項所述之半導體裝置，其中該一或多個接口直通矽晶穿孔與該一或多個連接直通矽晶穿孔之彼此間的距離為約60 μm。